[고등학교 2학년 2학기] 복자여자고등학교 서보경 제1회 명인 과학교사의 명품 과학 수업 무게중심을 활용한 로봇 만들기 힘과 에너지의 이용 [고등학교 2학년 2학기] 복자여자고등학교 서보경

수업개요 - 수업교과 : 물리1 - 수업단원 : Ⅳ. 에너지 2. 힘과 에너지의 이용 02. 힘의 평형과 안정성 - 수업교과 : 물리1 - 수업단원 : Ⅳ. 에너지 2. 힘과 에너지의 이용 02. 힘의 평형과 안정성 - 활 용 : <힘의 평형과 안정성> 단원에서 돌림힘과 무게중심의 개념을 학습한 후, 학생들에게 무게중심을 활용하여 두 발로 빗면을 걸어 내려가는 로봇을 제작 해보도록 함으로써 무게중심과 돌림힘의 물리개념을 공학과 융합시켜보는 경험을 해보도록 한다.

학습목표 ❶ 오리가 걷는 원리를 무게중심의 위치 변화로 설명 할 수 있다. ❷ 무게중심의 원리를 적용하여 빗면을 걸어 내려가는 로봇을 제작할 수 있다. ❸ 돌림힘과 무게중심을 이용하여 로봇이 빗면을 걸어 내려가는 원리를 설명할 수 있다.

도입

도입 부문 수업 요약 ❶ 동영상 이용하여 문제상황을 제시한 후 학생들에게 이번 수업시간에 해결해야 할 미션을 제시한다. ❷ 사용할 동영상 : mbc 황금어장 라디오스타 354회 (2013년 11월 20일 방영) http://www.imbc.com/broad/tv/ent/goldfish/vod/index.html

도입 부문 수업 요약 ❸ 문제 상황 요약 우리나라의 재난구조 로봇 ‘똘망’과 똘망을 만드신 한재권 박사님이 ‘라디오 스타’ 프로그램에 출연한 동영상을 제시한다. 이 동영상에는 재난 구조 로봇 ‘똘망’이 가스 누출현장에 투입되어 스스로 계단을 올라가 가스 밸브를 잠그는 임무를 수행한 뒤, 혼자서는 계단을 걸어 내려가지 못하는 영상이 포함되어 있으며 아직까지 혼자서 두 발로 계단을 걸어 내려가는 로봇을 만들지 못했다는 박사님의 멘트가 나온다. MC가 박사님께 ‘가스밸브가 지하에 있으면 어떻게 하죠?’ 라고 질문하는 곳까지 동영상을 보고 난 후 학생들에게 이 문제를 어떻게 해결해야 할 지 질문한다. 학생들의 다양한 대답을 들은 뒤 ‘지난 시간에 배운 무게중심을 이용하여 우리가 직접 두 발로 빗면을 걸어 내려가는 로봇을 만들어보자’ 라고 이야기한 뒤 ‘미션’을 제시한다.

빗면을 걸어 내려가는 로봇을 만들어라! 미션! [조건] 무게중심을 활용 할 것 !

전개

앞 뒤로 이동한다는 것을 생각해내도록 유도한다. 학생들에게 로봇 설계도를 나누어주고 모둠별로 로봇을 수업 전개 방법 오리의 걸음걸이 탐구 사전실험 동영상제시 로봇제작 오리의 걸음걸이를 탐구하여 오리가 걸을 때 무게중심이 앞 뒤로 이동한다는 것을 생각해내도록 유도한다. 교사가 사전에 제작한 무게 중심 로봇이 빗면을 걸어 내려가는 동영상을 제시한다. 학생들에게 로봇 설계도를 나누어주고 모둠별로 로봇을 제작하도록 한다. (모둠 4인1조)

오리의 걸음걸이 탐구 ❶ 오리가 걸어가는 동영상 또는 사진을 보여주며 학생들에게 오리가 걸을 때 ❶ 오리가 걸어가는 동영상 또는 사진을 보여주며 학생들에게 오리가 걸을 때 몸을 어떻게 움직이는지 관찰하고 발표하도록 한다. ❷ 오리가 걸을 때 몸을 앞 뒤로 움직이며 걷는다는 이야기를 하며 교사가 오리처럼 몸을 앞으로 숙여본다. ❸ 교사가 몸을 앞으로 숙이면 넘어지지 않기 위해 발이 앞쪽으로 따라 나오는 것을 보여준다. ❹ 몸을 앞쪽으로 숙이면 무게중심이 앞쪽으로 이동하며 이로 인해 무게중심에 시계방향의 중력에 의한 돌림힘이 작용하여 앞쪽으로 이동하게 됨을 설명한다. ❺ 오리의 걸음걸이를 모방하여 만든 무게중심 로봇이 두 발로 빗면을 걸어 내려가는 사전 실험 동영상을 제시한 후, 학생들에게 설계도를 보고 직접 제작해 보도록 한다.

무게중심 로봇 만들기

무게중심 로봇 제작 방법 [참고문헌] ‘까닥까닥 치킨런 ’ (신인철 선생님) [준비물] ❶ 종이컵, 산적꽂이(길이가 긴 것으로 준비) ❷ 우드락 : 10mm 우드락을 1cm 두께로 잘라서 준비(로봇다리 제작용) ❸ 양면테이프 또는 우드락 본드(양면테이프 사용을 권장함) ❹ 빨대 : 산적꽂이가 안에 들어가서 움직일 수 있는 두께 ❺ 빗면 : 우드락에 사포를 붙여 사용하거나, 종이가 붙어있는 우드락을 빗면으로 사용함 – 우드락의 한 쪽을 실험바구니에 위에 올려놓으면 빗면을 만들 수 있음. 실험바구니의 위치를 조절하여 빗면의 높이 조절이 가능함 ❻ 슈파핀, 칼, 로봇을 꾸밀 재료(색연필, 사인펜, 색종이 등) [참고문헌] ‘까닥까닥 치킨런 ’ (신인철 선생님)

무게중심 로봇 제작 방법 ❶ 준비물을 준비한다. ❷송곳으로 종이컵 양쪽에 구멍을 뚫는다.

무게중심 로봇 제작 방법 ❸ 우드락을 이용하여 그림과 같이 ❹ 앞다리를 종이컵에 뚫어 놓은 구멍 중간에 ❸ 우드락을 이용하여 그림과 같이 앞다리와 뒷다리를 만든다. (다리길이와 발바닥의 길이는 학생들이 스스로 생각해보도록 한다.) ❹ 앞다리를 종이컵에 뚫어 놓은 구멍 중간에 위치 하도록 붙인다. (앞다리는 고정됨)

무게중심 로봇 제작 방법 ❺ 빨대를 뒷다리에 투과시키고, ❻ 산적꽂이를 종이컵 구멍에 집어 넣은 모습. 빨대 안에 산적꽂이를 집어넣은 뒤 산적꽂이를 종이컵 구멍에 넣는다. (빨대는 종이 컵 안에 들어가도록 함) ❻ 산적꽂이를 종이컵 구멍에 집어 넣은 모습. (뒷다리는 앞뒤로 움직일 수 있음)

무게중심 로봇 제작 방법 ❼ 종이컵 뒤쪽에 핀을 꽂아 무게중심을 ❽ 종이컵 로봇을 예쁘게 디자인 한다. 맞추고, 로봇을 빗면에 놓고 잘 걷는지 확인한다. (빗면 위에서 로봇이 앞다리를 든 채로 출발하도록 한다.) ❽ 종이컵 로봇을 예쁘게 디자인 한다. ※ 로봇이 넘어지면 빗면의 높이, 핀의 위치와 개수를 조절하며 무게 중심을 맞춰줍니다.

정리

종이컵 로봇의 원리 이해하기 1.그림 (가) 에 회전축으로부터 힘 점까지의 거리(r)를 표시해보고, 이를 이용하여 중력에 의한 돌림힘의 방향을 표시해보자. (단, 그림에 표시된 화살표는 종이컵에 작용하는 중력이다.) 2. 그림 (가)에서 로봇이 앞다리를 들고 빗면에 서있으면 로봇의 무게중심이 회전축 보다 ( 앞 )쪽에 위치하게 되고, 로봇이 ( 반시계 ) 방향의 돌림힘을 받게 되므로 앞으로 움직인다.

종이컵 로봇의 원리 이해하기 3. 그림 (나)에 회전축으로부터 힘 점까지의 거리(r)를 표시해보고, 이를 이용하여 중력에 의한 돌림힘의 방향을 표시해보자. (단, 그림에 표시된 화살표는 종이컵에 작용하는 중력이다.) 4. 그림 (나)에서 로봇이 앞으로 이동하면 뒷다리가 앞쪽으로 움직이고, 이 때 로봇의 무게중심이 회전축보다 ( 뒤 )쪽에 위치하게 되면, 로봇이 ( 시계 )방향의 돌림힘을 받게 되므로 뒤로 움직인다.

종이컵 로봇의 원리 이해하기 5. 그림 (나)에서 로봇의 무게 중심이 회전축보다 앞쪽에 위치하면 다음순간 로봇이 어떻게 될까? 앞으로 넘어진다. --> 이 경우 로봇의 무게중심을 뒤쪽으로 보내는 방법은? 종이컵 뒤에 핀을 더 많이 꽂거나 빗면의 높이를 낮춘다.

종이컵 로봇의 원리 이해하기 6. 그림 (다)에서 로봇의 무게중심이 회전축보다 뒤쪽에 위치 하면 다음순간 로봇이 어떻게 될까? 뒤로 넘어진다. --> 이 경우 로봇의 무게 중심을 앞쪽으로 보내는 방법은? 종이컵 뒤에 꽂은 핀의 개수를 줄이거나 빗면의 높이를 높인다.